動(dòng)態(tài)模擬施工導(dǎo)流在水利水電工程中的應(yīng)用

洪玲

（河南省信陽(yáng)市鲇魚(yú)山水庫(kù)管理局，河南 信陽(yáng) 465350）

水利工程是為消除水害和開(kāi)發(fā)利用大自然的水資源而修建的一些工程。如果按其服務(wù)的對(duì)象可以分為農(nóng)田水利工程、防洪工程、航道和港口工程、環(huán)境水利工程、供水和排水工程、水力發(fā)電工程、海涂圍墾工程等。這些工程，也可同時(shí)為灌溉、供水、防洪、發(fā)電等多種目標(biāo)服務(wù)的水利工程，這也稱為綜合利用水利工程。一般水利工程都需要修建壩、堤、溢洪道、水閘、進(jìn)水口、渠道、渡漕、筏道、魚(yú)道等不同類(lèi)型的建筑物，以實(shí)現(xiàn)管水治水的目標(biāo)。水利工程與其他工程相比，具有如下特點(diǎn)：第一，水利工程一般規(guī)模大，投資多，技術(shù)復(fù)雜，工期較長(zhǎng)。第二，影響面廣。水利工程規(guī)劃是流域規(guī)劃或地區(qū)水利規(guī)劃的組成部分，而一項(xiàng)水利工程的興建，對(duì)其周?chē)貐^(qū)的環(huán)境將產(chǎn)生很大的影響，既有興利除害有利的一面，又有淹沒(méi)、浸沒(méi)、移民、遷建等不利的一面。為此，制定水利工程規(guī)劃，必須從流域或地區(qū)的全局出發(fā)，統(tǒng)籌兼顧，以期減免不利影響，收到經(jīng)濟(jì)、社會(huì)和環(huán)境的最佳效果。

對(duì)于位于大河流的水利水電工程，其施工條件復(fù)雜且困難。施工導(dǎo)流控制關(guān)鍵能影響到整個(gè)項(xiàng)目的建設(shè)。其建設(shè)內(nèi)部組件之間的分流關(guān)系是復(fù)雜的。施工導(dǎo)流控制過(guò)程是一個(gè)復(fù)雜的隨機(jī)和動(dòng)態(tài)過(guò)程。它是一種半結(jié)構(gòu)化的問(wèn)題，這是通過(guò)純粹的數(shù)學(xué)模型很難解決的。然而，模擬方法提供了實(shí)用的分析技術(shù)來(lái)處理這些關(guān)鍵問(wèn)題，具有研究?jī)r(jià)值。

1 施工導(dǎo)流分析控制系統(tǒng)的簡(jiǎn)介

施工導(dǎo)流控制液壓是一個(gè)復(fù)雜的動(dòng)態(tài)工程系統(tǒng)項(xiàng)目。據(jù)其動(dòng)態(tài)特性和所有內(nèi)部元素的屬性，整個(gè)系統(tǒng)可分為導(dǎo)流子系統(tǒng)，主要建筑物管理子系統(tǒng)和不斷變化的之三流子系統(tǒng)。這三個(gè)子系統(tǒng)抑制和與對(duì)方聯(lián)系。一方面，分流相應(yīng)的分流標(biāo)準(zhǔn)的條件每個(gè)時(shí)期確定的施工工藝轉(zhuǎn)移和主要建筑物。另一方面，施工工藝的建筑物也影響導(dǎo)流建筑物的計(jì)劃和分流的危機(jī)的每個(gè)時(shí)期。一旦上述約束關(guān)系摧毀，必定會(huì)導(dǎo)致很大的風(fēng)險(xiǎn)，甚至失敗的施工導(dǎo)流。

所有的施工導(dǎo)流方案的部分和大壩圍堰的施工進(jìn)度在整個(gè)引水動(dòng)態(tài)，以及它們的邏輯關(guān)系是極其復(fù)雜的。為了簡(jiǎn)化施工導(dǎo)流系統(tǒng)的建模，在復(fù)雜的關(guān)系模型中區(qū)分開(kāi)主要建筑物之間的約束關(guān)系，以及分流建筑物和水流量之間的關(guān)系。模型的每個(gè)部分都有其特殊功能和相應(yīng)的屬性信息。

同時(shí)，根據(jù)信息的媒體功能，分流計(jì)劃，施工進(jìn)度和流量控制集成等因素。然后，一個(gè)復(fù)雜的系統(tǒng)成為一個(gè)相互關(guān)聯(lián)和同步的系統(tǒng)。在整個(gè)系統(tǒng)，我們不僅可以提取每個(gè)子系統(tǒng)從局部把握其特殊的動(dòng)態(tài)過(guò)程細(xì)節(jié)，也通過(guò)分析相互關(guān)系整個(gè)轉(zhuǎn)移過(guò)程。然后建設(shè)過(guò)程可以統(tǒng)一控制，并改道在任何信息的時(shí)候，方便人們直觀的了解整個(gè)過(guò)程。

2 施工導(dǎo)流分析控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)思想

針對(duì)各種可能的線性或非線性鏈接關(guān)系構(gòu)成一個(gè)系統(tǒng)的仿真框圖，框圖的輸入和輸出確定出協(xié)調(diào)參數(shù)之間的不同鏈接關(guān)系。相應(yīng)的仿真程序根據(jù)數(shù)學(xué)模型的開(kāi)發(fā)聯(lián)系。此外，動(dòng)態(tài)仿真模型是CON結(jié)構(gòu)的輸入端和輸出端，以及數(shù)字模擬是實(shí)現(xiàn)端。這種框圖設(shè)計(jì)思想，這里稱之為框圖模擬方法。

對(duì)于一個(gè)動(dòng)態(tài)系統(tǒng)的任何一個(gè)環(huán)節(jié)或子系統(tǒng)，它可以用一個(gè)框圖來(lái)代表它。在狀態(tài)空間模型中，一個(gè)環(huán)節(jié)由三個(gè)基本要素構(gòu)成：輸入變量，狀態(tài)變量和輸出變量，如圖1所示。

圖1 框圖設(shè)計(jì)思想總體構(gòu)架圖

輸出變量的函數(shù)由輸入變量、采樣時(shí)間和狀態(tài)變量等參數(shù)來(lái)決定。其數(shù)學(xué)關(guān)系如下：

對(duì)于一個(gè)純粹的連續(xù)或離散的聯(lián)系，公式中（1）-（3）顯示輸出變量 y，連續(xù)狀態(tài)的關(guān)系變量x和采樣離散狀態(tài)變量x，其中c,d,t表示時(shí)間點(diǎn)，狀態(tài)變量x和輸入變量u，表示對(duì)應(yīng)時(shí)間點(diǎn)的參數(shù)量。公式（4）表示狀態(tài)變量的連續(xù)以及離散之和變量。連接到鏈接框圖通過(guò)適當(dāng)?shù)妮斎牒拖到y(tǒng)的仿真模型輸出變量，這是模擬的基礎(chǔ)模型。

3 三維動(dòng)態(tài)可視化施工導(dǎo)流的仿真

施工導(dǎo)流控制動(dòng)態(tài)模擬系統(tǒng)的目的，是模擬系統(tǒng)以用于檢查是否當(dāng)前定義的計(jì)劃方案與施工進(jìn)度相匹配以及控股排水的臨時(shí)用水建筑物，并觀察在三個(gè)協(xié)調(diào)分流子系統(tǒng)。它將建設(shè)提供有效的規(guī)劃管理和決策分流系統(tǒng)。此外，大量的圖形和數(shù)據(jù)信息涉及在施工中的設(shè)計(jì)和施工管理等多方面的因素，如設(shè)計(jì)該項(xiàng)目的地質(zhì)和水文條件等。如何將信息的使用效率和直觀性是提高設(shè)計(jì)和施工管理水平的關(guān)鍵。因此，實(shí)現(xiàn)可視化仿真與優(yōu)化分析整個(gè)施工導(dǎo)流動(dòng)態(tài)控制系統(tǒng)，具有重大的現(xiàn)實(shí)意義。

據(jù)施工導(dǎo)流系統(tǒng)的分析，主要建筑，引水建設(shè)物體和動(dòng)態(tài)流量構(gòu)成施工導(dǎo)流控制的全過(guò)程，這些是其主要三方面的因素。動(dòng)態(tài)仿真的設(shè)計(jì)思路如圖2所示。

根據(jù)圖2所示的軟件設(shè)計(jì)流程圖，利用Visual C++6.0和MATLAB 2009在Windows XP3下實(shí)現(xiàn)了軟件界面如圖3所示。

圖2 動(dòng)態(tài)模擬軟件實(shí)現(xiàn)流程圖

圖3 軟件操作界面窗口

結(jié)論

利用現(xiàn)有的科技方法，通過(guò)計(jì)算機(jī)來(lái)軟件仿真實(shí)現(xiàn)水利工程的管理，具有方便、快捷、直觀、科學(xué)的優(yōu)點(diǎn)。利用該仿真系統(tǒng)，在2011年，一年一度的圍堰外河已被拆掉，如果電力站圍堰外的河流可以抵御洪水最上面的關(guān)注。然后，模擬計(jì)算90%的保證率，結(jié)果表明，圍堰的水必須達(dá)到12.347米。這是與實(shí)物是一致的情況下，使得該年安全的度過(guò)了汛期。因此，利用計(jì)算機(jī)仿真來(lái)實(shí)現(xiàn)水利工程的管理，模擬的結(jié)果符合實(shí)際的情況。該軟件平臺(tái)提供了新的理論原則和分析的技術(shù)措施，解決了在復(fù)雜的水利水電工程條件，控制施工導(dǎo)流中遇到的問(wèn)題。

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